Copacii devin adesea o țintă pentru fulgere, ceea ce duce uneori la consecințe foarte grave. Vom vorbi despre pericolul de a fi lovit de fulger atât pentru copacii înșiși, cât și pentru oamenii care locuiesc lângă aceștia, precum și despre modul în care poți reduce riscurile asociate acestui fenomen.

Unde lovește fulgerul

Pentru o parte semnificativă a teritoriului Pământului, furtunile sunt destul de frecvente. În același timp, aproximativ o mie și jumătate de furtuni fulgerează peste Pământ. De exemplu, la Moscova se observă în fiecare an peste 20 de zile cu furtună. Dar, în ciuda familiarității acestui fenomen natural, puterea lui nu poate decât să șocheze. Tensiunea unui fulger mediu este de aproximativ 100.000 de volți, iar curentul este de 20.000-50.000 de amperi. Temperatura canalului de fulger în acest caz ajunge la 25.000 - 30.000 °C. Nu este surprinzător că fulgerele lovesc clădiri, copaci sau oameni și își răspândesc sarcina electrică, adesea cu consecințe catastrofale.

Deși înfrângerea unui singur obiect terestru de către fulger, fie că este vorba de o clădire, un catarg sau un copac, este un eveniment destul de rar, forța distructivă colosală face ca furtunile să fie unul dintre cele mai periculoase fenomene naturale pentru oameni. Astfel, potrivit statisticilor, fiecare al șaptelea incendiu din mediul rural declanșează din cauza unui fulger, în ceea ce privește numărul deceselor înregistrate cauzate de dezastre naturale, fulgerul ocupă locul al doilea, după inundații.

Probabilitatea ca obiectele de la sol (inclusiv copaci) să fie lovite de fulger depinde de mai mulți factori:

• asupra intensității activității furtunilor în regiune (legată de climă);
• pe înălțimea acestui obiect (cu cât este mai mare, cu atât este mai probabil să cadă un fulger);
• de la rezistența electrică a obiectului și a straturilor de sol situate sub ele (cu cât rezistența electrică a obiectului și a straturilor de sol situate sub acesta este mai mică, cu atât este mai mare probabilitatea unei descărcări de fulgere în el).

Din cele de mai sus, este clar de ce copacii devin adesea o țintă pentru fulger: un copac este adesea elementul predominant al reliefului în înălțime, lemnul viu saturat de umiditate, asociat cu straturi adânci de sol cu ​​rezistență electrică scăzută, reprezintă adesea un puț. -paratrăsnet natural împământat.

Activitate de furtună în unele așezări din regiunea Moscovei

Localitate	Durata medie anuală a furtunilor, ore	Densitatea specifică a fulgerelor în 1 km²	Caracteristicile generale ale activității furtunii
Volokolamsk	40–60	4	înalt
Istra	40–60	4	înalt
Noul Ierusalim	40–60	4	înalt
Pavlovski Posad	20–40	2	in medie
Moscova	20–40	2	in medie
Kashira	20–40	2	in medie

Care este pericolul ca un copac să fie lovit de fulger

Consecințele unui fulger într-un copac sunt adesea devastatoare atât pentru el însuși, cât și pentru clădirile din apropiere și reprezintă, de asemenea, o amenințare semnificativă pentru oamenii care se află în apropiere în acel moment. În momentul trecerii unei sarcini electrice puternice prin lemn, în interiorul trunchiului are loc o eliberare puternică de căldură și o evaporare explozivă a umidității. Rezultatul este daune de severitate diferită: de la arsuri superficiale sau crăpături până la despicarea completă a trunchiului sau focul copacului. În unele cazuri, în interiorul trunchiului apar deteriorări mecanice semnificative (fisuri longitudinale sau despicarea lemnului de-a lungul inelelor anuale), care sunt aproape imperceptibile în timpul examinării externe, dar cresc semnificativ riscul căderii unui copac în viitorul apropiat. Deseori grave, dar imperceptibile în timpul inspecției vizuale, daunele pot fi primite și de rădăcinile unui copac.

În cazul în care daunele cauzate de fulger nu duc la distrugerea instantanee sau moartea unui copac, leziunile extinse primite de acesta pot provoca dezvoltarea unor boli periculoase, cum ar fi putregaiul, bolile vasculare, o plantă slăbită devine o pradă ușoară pentru dăunătorii tulpinii. Ca urmare, copacul poate deveni nesigur sau se poate usca.

Fulgerele asupra copacilor (inclusiv cei vii) provoacă adesea incendii care se răspândesc la clădirile din apropiere. Uneori, o descărcare laterală dintr-un copac este transmisă pe peretele unei clădiri, chiar dacă pe acesta este instalat un paratrăsnet. În cele din urmă, potențialul electric de la arborele afectat se propagă în straturile de suprafață ale pământului, drept urmare poate fi transportat în clădire, poate deteriora utilitățile subterane sau poate provoca șoc electric oamenilor sau animalelor de companie.

O lovitură de fulger într-un copac poate provoca pagube materiale semnificative chiar dacă nu există o urgență. La urma urmei, evaluarea siguranței unui astfel de copac, îngrijirea specială pentru acesta sau chiar simpla îndepărtare a unui copac uscat sau bolnav fără speranță poate fi asociată cu costuri materiale semnificative.

Uneori, o descărcare laterală dintr-un copac este transmisă pe peretele unei clădiri, chiar dacă pe acesta este instalat un paratrăsnet.

Probleme de reglementare

Astfel, protecția împotriva trăsnetului a arborilor deosebit de valoroși (care sunt centrul compozițiilor peisajului, istorice și rare) sau a arborilor care cresc în apropierea locuințelor poate fi practic justificată. Cadrul de reglementare care prescrie sau reglementează protecția arborilor împotriva trăsnetului este însă cu desăvârșire în țara noastră. Această stare de fapt este mai mult o consecință a inerției cadrului de reglementare intern decât o evaluare adecvată a riscurilor asociate cu loviturile de fulger asupra copacilor într-un mediu urban.

Principalul standard intern actual pentru protecția împotriva trăsnetului datează din 1987. Atitudinea față de protecția împotriva trăsnetului în mediul rural din acest document reflectă realitățile și pozițiile de atunci: valoarea materială a majorității clădirilor rurale nu era mare, iar interesele statului s-au concentrat pe protecția proprietății publice, mai degrabă decât a proprietății private. În plus, compilatorii standardelor interne au pornit de la ipoteza că normele și regulile de construcție sunt respectate în timpul construcției de locuințe suburbane, dar nu este întotdeauna cazul. În special, distanța minimă de la trunchiul copacului până la peretele clădirii trebuie să fie de cel puțin 5 m. În realitățile construcțiilor suburbane, casele sunt adesea situate aproape de copaci. Mai mult decât atât, proprietarii unor astfel de copaci, de regulă, sunt reticenți în a fi de acord cu îndepărtarea lor.

În alte țări, există standarde pentru protecția împotriva trăsnetului: de exemplu, american - ANSI A 300 parte 4 sau britanic - standard britanic 6651 reglementează și protecția copacilor împotriva trăsnetului.

Distanța minimă de la trunchiul copacului până la peretele clădirii trebuie să fie de cel puțin 5 m.

Când este nevoie de protecție?

În ce cazuri are sens să ne gândim la protecția împotriva trăsnetului a unui copac? Enumerăm factorii pe baza cărora poate fi recomandată o astfel de decizie.

Arborele crește în zone deschise sau vizibil mai sus decât copacii, clădirile, structurile și formele de relief învecinate. Obiectele care domină în înălțime sunt mai susceptibile de a fi lovite de fulger.

O zonă cu activitate puternică de furtună. Cu o frecvență ridicată a furtunilor, probabilitatea de a deteriora copacii (precum și alte obiecte) crește. Principalele caracteristici ale activității furtunilor sunt numărul mediu anual de ore de furtună, precum și densitatea specifică medie a fulgerelor la sol (numărul mediu anual de fulgere la 1 km²) de pe suprafața pământului. Ultimul indicator este utilizat pentru a calcula numărul așteptat de lovituri de fulgere ale unui obiect (inclusiv un copac) pe an. De exemplu, în cazul unei zone cu o durată medie de 40-60 de ore de furtună pe an (în special, unele zone din regiunea Moscovei), se poate aștepta ca un copac de 25 m înălțime să fie deteriorat o dată la 20 de ani.

Amplasarea șantierului lângă corpuri de apă, izvoare subterane, umiditate ridicată a solului pe șantier . Acest aranjament crește și mai mult riscul ca un copac să fie lovit de fulger.

Un copac înalt crește la o distanță de trei metri sau mai puțin de clădire. Această aranjare a copacului nu afectează probabilitatea de a fi lovit de fulger. Cu toate acestea, înfrângerea copacilor aflați în apropierea clădirilor reprezintă amenințări semnificative atât pentru clădirile în sine, cât și pentru oamenii din acestea. În același timp, crește riscul de deteriorare a clădirii printr-o descărcare laterală, riscul de deteriorare a acoperișului la căderea unui copac este foarte mare, iar dacă se aprinde, un incendiu se poate extinde în clădire.

Ramurile copacului atârnă peste acoperișul clădirii, îi ating pereții, copertinele, jgheaburile sau elementele decorative ale fațadei. În acest caz, crește și riscul de deteriorare a clădirii, incendii și transferul deversării în casă.

Arborele aparține unei specii care este lovită des sau regulat de fulgere. . Unele specii de copaci sunt mai susceptibile de a fi lovite de fulger decât altele. Stejarii sunt cei mai frecvent afectați de fulgere.

Rădăcinile unui copac care crește în apropierea clădirii pot intra în contact cu o fundație subterană sau cu comunicații potrivite pentru casă. În acest caz, atunci când un copac este lovit de fulger, probabilitatea ca descărcarea „în derivă” în incintă sau deteriorarea comunicațiilor (de exemplu, senzorii sistemului de irigare și rețelele electrice) crește.

Specialiștii în protecția clădirilor împotriva trăsnetului recomandă instalarea unui paratrăsnet de sine stătător, în timp ce la o distanță de 3 până la 10 m există copaci care sunt potriviți ca înălțime și alți parametri pentru instalarea unui paratrăsnet și a conductorului de coborâre.. Instalarea unui catarg separat poate fi destul de costisitoare. Pentru mulți proprietari de case de țară, astfel de catarge sunt, de asemenea, inacceptabile din punct de vedere estetic. Și, în sfârșit, plasarea unui catarg într-o zonă de pădure în așa fel încât rădăcinile copacilor să nu fie deteriorate în timpul construcției lui sau vergeturile să nu interfereze cu mișcarea oamenilor poate fi foarte dificilă.

Expunerea la arbori neprotejați ai unor specii
(din standard ANSI A 300, parte 4)

Principiul de funcționare

Principiul de funcționare al sistemului de protecție împotriva trăsnetului este că descărcarea de trăsnet este „interceptată” de paratrăsnet, efectuată în siguranță de conductorul de coborâre și transmisă în straturile adânci ale solului prin împământare.

Componentele unui sistem de protecție împotriva trăsnetului în arbore sunt: ​​un paratrăsnet (unul sau mai multe), un conductor de coborâre aeriană, un conductor de coborâre subteran și un sistem de împământare format din mai multe paratrăsnet sau plăci de împământare.

Când ne-am dezvoltat propriile scheme de protecție împotriva trăsnetului, ne-am confruntat cu necesitatea de a combina standardele interne de protecție împotriva trăsnetului a clădirilor și structurilor și standardele occidentale care reglementează protecția copacilor împotriva trăsnetului. Necesitatea unei astfel de combinații se datorează faptului că în standardele interne actuale nu există recomandări pentru instalarea sistemelor de protecție împotriva trăsnetului pe copaci, iar prescripțiile mai vechi includ instrucțiuni care reprezintă o amenințare pentru sănătatea unui copac. În același timp, standardul american ANSI A 300, care conține informații detaliate despre montarea sistemului pe copac și principiile instalării și întreținerii acestuia, impune cerințe mai mici privind siguranța electrică a sistemului în comparație cu standardele interne.

Componentele de protecție împotriva trăsnetului sunt fabricate din cupru sau oțel inoxidabil. În același timp, pentru a evita coroziunea, în toate conexiunile și contactele dintre elementele conductoare este utilizat doar unul dintre materialele selectate. Cu toate acestea, atunci când se utilizează cupru, este permisă utilizarea elementelor de fixare din bronz. Componentele din cupru sunt mai scumpe, dar au o conductivitate mai mare, permițând componentelor să fie mai mici, mai puțin vizibile și să reducă costurile de instalare a sistemului.

Potrivit statisticilor, fiecare al șaptelea incendiu în mediul rural începe din cauza unui fulger, în ceea ce privește numărul deceselor înregistrate cauzate de dezastre naturale, fulgerul ocupă locul al doilea, după inundații.

Componentele sistemului

Paratrăsnetul este un tub metalic închis la capăt. Conductorul de jos intră în paratrăsnet și este atașat de acesta cu șuruburi.

Pentru copacii cu o coroană răspândită, uneori sunt necesare pantografe suplimentare, deoarece în acest caz descărcarea fulgerului poate lovi ramuri sau vârfuri care sunt departe de paratrăsnet. Dacă pe un copac este instalat un sistem mecanic de susținere a ramurilor bazat pe cabluri metalice, atunci trebuie să fie împământat și atunci când se efectuează protecția împotriva trăsnetului. Pentru a face acest lucru, cu ajutorul unui contact cu șuruburi, este atașat un conductor suplimentar de jos. Trebuie avut în vedere că contactul direct al cuprului cu un cablu galvanizat este inacceptabil, deoarece duce la coroziune.

Conductoarele de coborâre de la paratrăsnet și contactele suplimentare sunt conectate folosind contacte speciale de clemă sau conexiuni cu șuruburi. În conformitate cu standardul ANSI A 300 pentru protecția copacilor împotriva trăsnetului, conductorii de coborâre sunt utilizați sub formă de cabluri de oțel integral metalice de diferite țesuturi. În conformitate cu standardele interne, secțiunea transversală efectivă minimă a unui conductor de coborâre din cupru este de 16 mm², secțiunea transversală efectivă minimă a unui conductor de coborâre din oțel este de 50 mm. La conducerea conductoarelor în jos pe lemn, este necesar să se evite curbele ascuțite ale acestora. Nu este permisă îndoirea conductoarelor la un unghi mai mic de 900, raza de curbură a îndoirii nu trebuie să fie mai mică de 20 cm.

Conductoarele de jos sunt atașate de portbagaj cu cleme metalice, îngropate în lemnul trunchiului pe câțiva centimetri. Materialul clemelor nu trebuie să conducă la coroziune de contact atunci când este conectat la conductorul de coborâre. Este imposibil să fixați conductorii de coborâre legându-le de copac cu sârmă, deoarece creșterea radială a trunchiului va duce la răni inelului și uscarea copacului. Fixarea rigidă a conductorilor de jos pe suprafața trunchiului (cu capse) va duce la creșterea lor în trunchi, reducând durabilitatea și siguranța sistemului și dezvoltarea putregaiului extins al tulpinii. Cea mai bună opțiune pentru montarea sistemului este instalarea clemelor dinamice. In acest caz, cand diametrul trunchiului creste, suporturile cu cabluri sunt presate automat pana la capatul tijei prin presiunea tesuturilor lemnoase. Trebuie remarcat faptul că adâncirea știfturilor clemelor la câțiva centimetri în lemn și încapsularea lor parțială ulterioară de către lemn practic nu dăunează acestuia.

Conductorii de coborâre coboară prin puț până la bază și intră adânc în șanț.

Adâncimea minimă a șanțului pentru porțiunea subterană a conductorului de coborâre, prescrisă de standardul ANSI A 300, este de 20 cm, șanțul este săpat manual cu menținerea numărului maxim de rădăcini. În cazurile în care deteriorarea rădăcinii este deosebit de nedorită, trebuie folosit echipament special pentru a face un șanț. De exemplu, un cuțit de aer este un instrument de compresor conceput pentru a efectua lucrări de terasament în zona aproape de trunchi a copacilor. Acest dispozitiv, folosind un flux de aer concentrat puternic, este capabil să îndepărteze particulele de sol fără a deteriora chiar și cele mai subțiri rădăcini ale copacilor.

Tipul și parametrii dispozitivului de împământare și distanța până la care conductorul de coborâre trebuie să se extindă până la acesta sunt determinați de proprietățile solului. Acest lucru se datorează necesității de a reduce rezistența la impulsul de masă la nivelul necesar - rezistența electrică la răspândirea unui impuls de curent electric de la electrodul de masă. Conform standardelor interne, în locurile vizitate în mod regulat de oameni, o astfel de rezistență nu trebuie să depășească 10 ohmi. Această valoare a rezistenței la pământ ar trebui să excludă întreruperea curentului prin scânteie de la conductorul de coborâre subteran și electrodul de împământare către suprafața solului și, prin urmare, să prevină șocurile electrice pentru oameni, clădiri și comunicații. Principalul indicator al solului, care determină alegerea schemei de împământare, este rezistivitatea solului - rezistența dintre două fețe de 1 m³ de pământ atunci când curentul trece prin acesta.

Cu cât rezistivitatea solului este mai mare, cu atât sistemul de împământare trebuie să fie mai extins pentru a asigura fluxul sigur al sarcinii electrice. Pe solurile cu rezistivitate scăzută - până la 300 ohmi (luturi, argile, zone umede), de regulă, se utilizează un sistem de împământare format din două tije de împământare verticale conectate printr-un conductor descendent. Între tije se menține o distanță de cel puțin 5 m. Lungimea tijelor este de 2,5–3 m, capătul superior al tijei este adâncit cu 0,5 m.

Pe solurile cu valori mari de rezistivitate (lut nisipos, nisip, pietriș), se folosesc sisteme de împământare cu mai multe fascicule. La limitarea adâncimii posibile de împământare, se folosesc plăci de împământare. Pentru comoditatea inspecțiilor și a testării fiabilității împământării, puțurile mici sunt instalate deasupra elementelor de împământare.

Rezistivitatea solului nu este o valoare constantă, valoarea sa depinde puternic de umiditatea solului. Prin urmare, în sezonul uscat, fiabilitatea împământării poate scădea. Pentru a preveni acest lucru sunt folosite mai multe metode. În primul rând, tijele de pământ sunt plasate în zona de irigare ori de câte ori este posibil. În al doilea rând, partea superioară a tijei este îngropată la 0,5 m sub suprafața solului (partea de sus 0,5 m a solului este cea mai predispusă la uscare). În al treilea rând, dacă este necesar, se adaugă bentonită în sol - o componentă naturală de reținere a umidității. Bentonita este o mică particule de argilă minerală coloidală, al căror spațiu poros reține bine umiditatea și stabilizează umiditatea solului.

Lemnul viu saturat de umiditate, lipit de straturi de pământ adânci, cu rezistență scăzută, este adesea un paratrăsnet natural bine împământat.

Greșeli comune

În practica casnică, protecția copacilor împotriva trăsnetului este rar utilizată, iar în cazurile în care este totuși efectuată, se comit o serie de greșeli grave în timpul construcției sale. Deci, ca paratrăsnet, de regulă, se folosesc tije metalice, fixate pe un copac cu sârmă sau cercuri metalice. Această opțiune de montare duce la leziuni grave ale inelelor ale trunchiului, care duc în cele din urmă la uscarea completă a copacului. Un anumit pericol este reprezentat și de creșterea în interior a conductorului de coborâre în trunchiul unui copac, ducând la apariția unor răni longitudinale deschise extinse pe trunchi.

Deoarece instalarea protecției împotriva trăsnetului pe copaci este efectuată de electricieni, aceștia folosesc de obicei hafs (pisici) pentru a se cățăra într-un copac - cizme cu vârfuri metalice care provoacă răni grave unui copac.

Din păcate, caracteristicile coroanei copacului sunt, de asemenea, ignorate: de regulă, necesitatea instalării mai multor paratrăsnet pe copaci cu mai multe vârfuri cu coroane largi nu este luată în considerare, defectele structurale în ramificarea copacului nu sunt, de asemenea, luate în considerare. cont, ceea ce duce adesea la ruperea și căderea vârfului cu paratrăsnetul instalat.

Protecția copacilor împotriva trăsnetului nu poate fi numită o practică comună. Indicațiile pentru implementarea sa sunt destul de rare în zonele cu activitate moderată de furtună. Cu toate acestea, în cazurile în care este necesară protecția copacilor împotriva trăsnetului, implementarea corectă a acesteia este extrem de importantă. Atunci când proiectați și instalați astfel de sisteme, este important să luați în considerare nu numai fiabilitatea paratrăsnetului în sine, ci și siguranța sistemului pentru arborele protejat.

Fiabilitatea finală a protecției împotriva trăsnetului va depinde atât de alegerea corectă a materialelor, a contactelor și a împământării sale, cât și de stabilitatea arborelui însuși. Luând în considerare doar caracteristicile structurii coroanei, creșterea radială, locația sistemului rădăcină al copacului, este posibil să se creeze un sistem fiabil de protecție împotriva trăsnetului, care să nu provoace răni periculoase copacului, ceea ce înseamnă că nu creează riscuri inutile pentru persoanele care locuiesc în apropiere.

Furtună - un fenomen atmosferic în care se produc descărcări electrice în interiorul norilor sau între nor și suprafața pământului - fulgere, însoțite de tunete. De regulă, o furtună se formează în nori puternici cumulonimbus și este asociată cu ploi abundente, grindină și furtună.

Furtuna este unul dintre cele mai periculoase fenomene naturale pentru oameni: din punct de vedere al numărului de decese înregistrate, doar inundațiile duc la pierderi umane mai mari.

Furtună

În același timp, pe Pământ operează aproximativ o mie și jumătate de furtuni, intensitatea medie a descărcărilor este estimată la 100 de fulgere pe secundă. Furtunile sunt distribuite neuniform pe suprafața planetei.

Distribuția descărcărilor de fulgere pe suprafața Pământului

Există aproximativ de zece ori mai puține furtuni peste ocean decât peste continente. Aproximativ 78% din toate descărcările de fulgere sunt concentrate în zona tropicală și ecuatorială (de la 30° latitudine nordică până la 30° latitudine sudică). Activitatea maximă de furtună are loc în Africa Centrală. Practic nu sunt furtuni în regiunile polare din Arctica și Antarctica și peste poli. Intensitatea furtunilor urmează soarelui: furtunile maxime apar vara (la latitudinile mijlocii) și în orele de după-amiază din timpul zilei. Furtunile minime înregistrate au loc înainte de răsăritul soarelui. Furtunile sunt afectate și de caracteristicile geografice ale zonei: centrele puternice de furtună sunt situate în regiunile muntoase din Himalaya și Cordillera.

Etapele dezvoltării unui nor de tunete

Condițiile necesare pentru formarea unui nor de tunet sunt prezența condițiilor pentru dezvoltarea convecției sau a unui alt mecanism care creează fluxuri ascendente de umiditate suficiente pentru formarea precipitațiilor și prezența unei structuri în care unele dintre particulele de nor se află în în stare lichidă, iar unele sunt în stare de gheață. Convecția care duce la dezvoltarea furtunilor are loc în următoarele cazuri:

Cu încălzirea neuniformă a stratului de suprafață de aer pe o suprafață subiacentă diferită. De exemplu, peste suprafața apei și a terenului din cauza diferențelor de temperatură a apei și a solului. Peste orașele mari, intensitatea convecției este mult mai mare decât în ​​vecinătatea orașului.

Când aerul cald se ridică sau este deplasat de aerul rece pe fronturile atmosferice. Convecția atmosferică pe fronturile atmosferice este mult mai intensă și mai frecventă decât în ​​timpul convecției intramasă. Adesea, convecția frontală se dezvoltă simultan cu norii nimbostratuși și precipitații extinse, care maschează norii cumulonimbus rezultați.

Când aerul se ridică în zonele lanțurilor muntoase. Chiar și cotele mici ale terenului duc la creșterea formării norilor (datorită convecției forțate). Munții înalți creează condiții deosebit de dificile pentru dezvoltarea convecției și aproape întotdeauna măresc frecvența și intensitatea acesteia.

Toți norii de tunet, indiferent de tipul lor, trec succesiv prin etapele unui nor cumulus, stadiul unui nor de tunet matur și stadiul dezintegrarii.

Clasificare Thundercloud

La un moment dat, furtunile erau clasificate în funcție de locul în care au fost observate, cum ar fi localizate, frontale sau orografice. Acum este mai frecventă clasificarea furtunilor în funcție de caracteristicile furtunilor în sine, iar aceste caracteristici depind în principal de mediul meteorologic în care se dezvoltă furtuna.

Principala condiție necesară pentru formarea norilor de tunete este starea de instabilitate a atmosferei, care formează curenți ascendenti. În funcție de amploarea și puterea unor astfel de fluxuri, se formează nori de tunsoare de diferite tipuri.

nor cu o singură celulă

Norii cumulonimbus unicelulari se dezvoltă în zilele cu vânturi slabe într-un câmp baric cu gradient scăzut. Se mai numesc si ei intramasă sau furtuni locale. Ele constau dintr-o celulă convectivă cu un flux ascendent în partea centrală. Pot atinge intensitatea fulgerelor și a grindinii și se prăbușesc rapid cu precipitații. Dimensiunile unui astfel de nor sunt: ​​transversal - 5-20 km, vertical - 8-12 km, speranța de viață - aproximativ 30 de minute, uneori - până la 1 oră. Schimbări serioase de vreme după o furtună nu au loc.

Ciclul de viață al unui singur nor de celule

O furtună începe cu un nor cumulus de vreme frumoasă (Cumulus humilis). În condiții favorabile, norii cumuluși rezultați cresc rapid atât pe direcția verticală, cât și pe orizontală, în timp ce debitele ascendente sunt situate aproape pe tot volumul norului și cresc de la 5 m/s la 15-20 m/s. Avalurile sunt foarte slabe. Aerul ambiental pătrunde activ în nor datorită amestecării la limita și vârful norului. Norul trece în stadiul Cumulus mediocris. Cele mai mici picături de apă formate ca urmare a condensului într-un astfel de nor se contopesc în altele mai mari, care sunt purtate de fluxuri puternice ascendente. Norul este încă omogen, este format din picături de apă reținute de un flux ascendent - precipitațiile nu cad. În partea superioară a norului, când particulele de apă intră în zona de temperaturi negative, picăturile încep treptat să se transforme în cristale de gheață. Norul devine un puternic cumulus (Cumulus congestus). Compoziția mixtă a norului duce la mărirea elementelor norului și la crearea condițiilor pentru precipitații. Un astfel de nor se numește nor cumulonimbus (Cumulonimbus) sau nor cumulonimbus chel (Cumulonimbus calvus). Debitele verticale în el ajung la 25 m/s, iar nivelul vârfului atinge o înălțime de 7–8 km.

Particulele de precipitare care se evaporează răcesc aerul din jur, ceea ce duce la o creștere suplimentară a curenților descendenți. În stadiul de maturitate, atât curenții de aer ascendenți, cât și cei descendenți sunt prezenți în nor în același timp.

În stadiul de dezintegrare, norul este dominat de curenți descendenți, care acoperă treptat întregul nor.

Furtuni cu descărcări electrice multicelulare

Schema unei structuri de furtună cu mai multe celule

Acesta este cel mai obișnuit tip de furtună asociat cu perturbații de mezoscală (care au o scară de la 10 la 1000 km). Un grup cu mai multe celule constă dintr-un grup de celule de furtună care se mișcă ca o unitate, deși fiecare celulă din grup se află într-o etapă diferită în dezvoltarea unui nor de tunete. Celulele mature de furtună sunt de obicei situate în partea centrală a clusterului, în timp ce celulele în descompunere sunt situate pe partea sub vânt a clusterului. Au dimensiuni transversale de 20-40 km, vârfurile lor se ridică adesea până la tropopauză și pătrund în stratosferă. Furtunile cu descărcări electrice multicelulare pot produce grindină, averse și furtuni relativ slabe. Fiecare celulă individuală dintr-un grup de celule multiple este într-o stare matură timp de aproximativ 20 de minute; clusterul cu mai multe celule în sine poate exista câteva ore. Acest tip de furtună este de obicei mai intensă decât o furtună cu o singură celulă, dar mult mai slabă decât o furtună supercelulă.

Furtuni în linii multicelulare (linii de furtună)

Furtunile cu linii multiple sunt o linie de furtuni cu un front de rafale lung și bine dezvoltat pe linia frontului. Linia furtunului poate fi continuă sau poate conține goluri. Linia multicelulară care se apropie arată ca un zid întunecat de nori, acoperind de obicei orizontul dinspre vest (în emisfera nordică). Un număr mare de curenți de aer ascendenți/descrescători, foarte distanțați, face posibilă calificarea acestui complex de furtuni drept o furtună cu mai multe celule, deși structura sa de furtună diferă brusc de o furtună cu mai multe celule. Liniile de turbure pot produce grindină mare și ploi intense, dar sunt cunoscute mai frecvent ca sisteme care creează curenți descendenți puternici. Linia furtunului este similară ca proprietăți cu un front rece, dar este un rezultat local al activității furtunii. Adesea, înaintea unui front rece apare o linie de furtun. Pe imaginile radar, acest sistem seamănă cu un arc curbat (ecoul arcului). Acest fenomen este tipic pentru America de Nord, în Europa și pe teritoriul european al Rusiei este observat mai rar.

Furtuni de supercelule

Structura verticală și orizontală a unui nor de supercelule

O supercelulă este cel mai bine organizat nor de tunsoare. Norii supercelule sunt relativ rari, dar reprezintă cea mai mare amenințare pentru sănătatea umană, viața și proprietatea. Un nor de supercelule este similar cu un nor de celule unice prin faptul că ambele au aceeași zonă de curent ascendent. Diferența este că dimensiunea celulei este uriașă: un diametru de aproximativ 50 km, o înălțime de 10-15 km (deseori limita superioară pătrunde în stratosferă) cu o singură nicovală semicirculară. Viteza fluxului ascendent într-un nor de supercelule este mult mai mare decât în ​​alte tipuri de nori de tunsoare: până la 40–60 m/s. Caracteristica principală care distinge un nor supercelular de alte tipuri de nori este prezența rotației. O curent ascendent rotativ într-un nor supercelulă (numit în terminologia radar) mezociclon), creează evenimente meteorologice extreme, cum ar fi un gigant grindină(mai mult de 5 cm în diametru), vânturi puternice de până la 40 m/s și tornade puternice distructive. Condițiile de mediu sunt un factor major în formarea unui nor supercelule. Este nevoie de o instabilitate convectivă foarte puternică a aerului. Temperatura aerului în apropierea solului (înainte de o furtună) ar trebui să fie de +27 ... +30 și mai mare, dar principala condiție necesară este vântul de direcție variabilă, care provoacă rotația. Astfel de condiții se realizează cu forfecarea vântului în troposfera mijlocie. Precipitațiile formate în curentul ascendent sunt transportate de-a lungul nivelului superior al norului printr-un flux puternic în zona de curent descendent. Astfel, zonele fluxurilor ascendente și descendente sunt separate în spațiu, ceea ce asigură viața norului pe o perioadă lungă de timp. De obicei, există ploaie slabă la marginea anterioară a unui nor de supercelule. Ploile abundente au loc în apropierea zonei de curent ascendent, în timp ce cele mai abundente precipitații și grindină mare cad la nord-est de zona principală de curent ascendent. Cele mai periculoase condiții apar în apropierea zonei principale de curent ascendent (de obicei deplasate în spatele furtunii).

Supercelulă (Engleză) superși celulă- celulă) - un tip de furtună, caracterizată prin prezența unui mezociclon - un curent ascendent profund, puternic rotativ. Din acest motiv, astfel de furtuni sunt uneori numite furtuni rotative. Dintre cele patru tipuri de furtuni conform clasificărilor occidentale (supercelulă, squalline, multicell și singlecell), supercelulele sunt cele mai puțin frecvente și pot reprezenta cel mai mare pericol. Supercelulele sunt adesea izolate de alte furtuni și pot avea o întindere frontală de până la 32 de kilometri.

Supercelulă la apus

Supervânzările sunt adesea împărțite în trei tipuri: clasice; precipitații scăzute (LP); și precipitații mari (HP). Supercelulele de tip LP tind să se formeze în climatele mai uscate, cum ar fi văile de munte din Statele Unite, în timp ce supercelulele de tip HP sunt mai frecvente în climatele mai umede. Supercelulele pot apărea oriunde în lume dacă condițiile meteorologice sunt potrivite pentru ca acestea să se formeze, dar sunt cele mai frecvente în Marile Câmpii din SUA, o zonă cunoscută sub numele de Valea Tornadelor. Ele pot fi observate și în câmpiile din Argentina, Uruguay și sudul Braziliei.

Caracteristicile fizice ale norilor de tunete

Studiile aeropurtate și radar arată că o singură celulă de furtună atinge de obicei o înălțime de aproximativ 8-10 km și trăiește aproximativ 30 de minute. O furtună izolată constă de obicei din mai multe celule în diferite stadii de dezvoltare și durează de ordinul unei ore. Furtunile mari pot atinge zeci de kilometri în diametru, vârful lor poate atinge înălțimi de peste 18 km și pot dura multe ore.

În amonte și în aval

Curenții ascendenți și descendenți în furtunile izolate au de obicei un diametru de 0,5 până la 2,5 km și o înălțime de 3 până la 8 km. Uneori, diametrul curentului ascendent poate ajunge la 4 km. Lângă suprafața pământului, pâraiele cresc de obicei în diametru, iar viteza în ele scade în comparație cu pâraiele situate deasupra. Viteza caracteristică a curentului ascendent se află în intervalul de la 5 la 10 m/s și atinge 20 m/s în partea superioară a furtunilor mari. Avioanele de cercetare care zboară printr-un nor de tunet la o altitudine de 10.000 m înregistrează viteze de curent ascendent de peste 30 m/s. Cele mai puternice curenți ascendenți se observă în furtunile organizate.

Rafalele

Înainte de furtuna din august 2010 din Gatchina

În unele furtuni se dezvoltă curenți descendenți intens, creând vânturi distructive la suprafața pământului. În funcție de mărime, se numesc astfel de aval rafale sau microfurtuni. O furtună cu un diametru mai mare de 4 km poate crea vânturi de până la 60 m/s. Microsqualls sunt mai mici, dar creează viteze ale vântului de până la 75 m/s. Dacă furtuna care generează furtuna se formează din aer suficient de cald și umed, atunci microvigorul va fi însoțit de averse de ploaie intense. Totuși, dacă furtuna se formează din aer uscat, precipitațiile se pot evapora în timpul toamnei (benzi de precipitații în aer sau virga) și microsquall va fi uscat. Curenții descendenți reprezintă un pericol grav pentru aeronave, în special în timpul decolării sau aterizării, deoarece creează vânt în apropierea solului, cu schimbări bruște de viteză și direcție.

Dezvoltare pe verticală

În general, un nor convectiv activ se va ridica până când își pierde flotabilitatea. Pierderea flotabilității se datorează încărcăturii create de precipitațiile formate în mediul tulbure, sau amestecarea cu aerul rece uscat din jur sau o combinație a acestor două procese. Creșterea norilor poate fi oprită și de un strat de inversare blocant, adică un strat în care temperatura aerului crește odată cu înălțimea. Norii de tunsoare ating de obicei o înălțime de aproximativ 10 km, dar uneori ajung la înălțimi de peste 20 km. Când conținutul de umiditate și instabilitatea atmosferei sunt mari, atunci cu vânturi favorabile, norul poate crește până la tropopauză, stratul care separă troposfera de stratosferă. Tropopauza se caracterizează printr-o temperatură care rămâne aproximativ constantă odată cu creșterea altitudinii și este cunoscută ca o regiune de mare stabilitate. De îndată ce curentul ascendent începe să se apropie de stratosferă, destul de curând aerul din vârful norului devine mai rece și mai greu decât aerul din jur, iar creșterea vârfului se oprește. Înălțimea tropopauzei depinde de latitudinea zonei și de anotimpul anului. Acesta variază de la 8 km în regiunile polare la 18 km și mai mult în apropierea ecuatorului.

Când un nor cumulus ajunge la stratul de blocare al inversării tropopauzei, începe să se răspândească în exterior și formează „nicovala” caracteristică norilor de tunete. Vântul care sufla la înălțimea nicovalei suflă de obicei materialul norilor în direcția vântului.

Turbulenţă

O aeronavă care zboară printr-un nor de tunet (este interzis să zboare în norii cumulonimbus) intră de obicei într-o turbulență care aruncă avionul în sus, în jos și în lateral sub influența fluxurilor turbulente de nori. Turbulența atmosferică creează o senzație de disconfort pentru echipajul și pasagerii aeronavei și provoacă solicitări nedorite asupra aeronavei. Turbulența se măsoară în diferite unități, dar mai des este definită în unități de g - accelerația de cădere liberă (1g = 9,8 m/s 2). O rafală de un g creează turbulențe care sunt periculoase pentru aeronave. În partea superioară a furtunilor intense s-au înregistrat accelerații verticale de până la trei g.

Mișcare de furtună

Viteza și mișcarea unui nor de tunete depind de direcția pământului, în primul rând de interacțiunea fluxurilor ascendente și descendente ale norului cu fluxurile de aer purtător din straturile mijlocii ale atmosferei în care se dezvoltă o furtună. Viteza de mișcare a unei furtuni izolate este de obicei de ordinul a 20 km/h, dar unele furtuni se mișcă mult mai repede. În situații extreme, un nor de tunete se poate deplasa cu viteze de 65–80 km/h în timpul trecerii fronturilor reci active. În majoritatea furtunilor, pe măsură ce celulele vechi de furtună se disipă, noi celule de furtună apar succesiv. Cu un vânt slab, o celulă individuală poate parcurge o distanță foarte scurtă în timpul vieții sale, mai puțin de doi kilometri; totuși, în furtunile mai mari, celulele noi sunt declanșate de curentul descendent care curge din celula matură, dând impresia de mișcare rapidă care nu se potrivește întotdeauna cu direcția vântului. În furtunile cu descărcări electrice mari, există un model în care o nouă celulă se formează la dreapta fluxului de aer purtător în emisfera nordică și la stânga fluxului de aer purtător în emisfera sudică.

Energie

Energia care alimentează o furtună este căldura latentă eliberată atunci când vaporii de apă se condensează și formează picături de nor. Pentru fiecare gram de apă care se condensează în atmosferă, se eliberează aproximativ 600 de calorii de căldură. Când picăturile de apă îngheață în partea de sus a norului, se eliberează aproximativ 80 de calorii suplimentare pe gram. Energia termică latentă eliberată este parțial convertită în energia cinetică a fluxului ascendent. O estimare aproximativă a energiei totale a unei furtuni poate fi făcută din cantitatea totală de apă care a precipitat din nor. Tipic este o energie de ordinul a 100 de milioane de kilowați-oră, care este aproximativ echivalent cu o încărcătură nucleară de 20 de kilotone (deși această energie este eliberată într-un volum mult mai mare de spațiu și într-un timp mult mai lung). Furtunile mari multicelulare pot avea de 10 până la 100 de ori mai multă energie.

Curenți descendenți și fronturi de furtună

Furtună puternică pe front

Curenții descendenți în furtuni apar la altitudini unde temperatura aerului este mai mică decât temperatura din spațiul înconjurător, iar acest flux devine și mai rece atunci când particulele de gheață de precipitații încep să se topească în el și picăturile de nor se evaporă. Aerul din fluxul descendent nu este doar mai dens decât aerul din jur, dar poartă și un moment unghiular orizontal diferit de cel din jur. Dacă are loc un curent descendent, de exemplu, la o înălțime de 10 km, atunci va ajunge la suprafața pământului cu o viteză orizontală care este vizibil mai mare decât viteza vântului din apropierea pământului. Aproape de sol, acest aer este transportat înaintea unei furtuni cu o viteză mai mare decât viteza întregului nor. De aceea, un observator de la sol va simți apropierea unei furtuni de-a lungul unui flux de aer rece chiar înainte ca norul de tunete să fie deasupra capului. Curentul descendent care se propagă de-a lungul solului formează o zonă cu o adâncime de 500 de metri până la 2 km cu o diferență distinctă între aerul rece al pârâului și aerul cald și umed din care se formează furtuna. Trecerea unui astfel de front de furtună este ușor de determinată de creșterea vântului și de o scădere bruscă a temperaturii. În cinci minute, temperatura aerului poate scădea cu 5°C sau mai mult. Furtunul formează o poartă caracteristică cu o axă orizontală, o scădere bruscă a temperaturii și o schimbare a direcției vântului.

În cazuri extreme, frontul de furtun creat de curentul descendent poate atinge viteze mai mari de 50 m/s și poate provoca daune locuințelor și culturilor. Mai des, furtunile severe apar atunci când se dezvoltă o linie organizată de furtuni în condiții de vânt puternic la altitudini medii. În același timp, oamenii pot crede că aceste distrugeri sunt cauzate de o tornadă. Dacă nu există martori care au văzut norul caracteristic al unei tornade, atunci cauza distrugerii poate fi determinată de natura distrugerii cauzate de vânt. În tornade, distrugerea are un model circular, iar o furtună cauzată de un curent descendent duce distrugerea în principal într-o singură direcție. Vremea rece este de obicei urmată de ploaie. În unele cazuri, picăturile de ploaie se evaporă complet în timpul toamnei, rezultând o furtună uscată. În situația opusă, tipică pentru furtunile severe cu mai multe celule și supercelule, sunt ploi abundente cu grindină, care provoacă inundații fulgerătoare.

Tornade

O tornadă este un vârtej puternic, la scară mică, sub nori de tunete, cu o axă aproximativ verticală, dar adesea curbată. Se observă o diferență de presiune de 100–200 hPa de la periferie la centrul tornadei. Viteza vântului în tornade poate depăși 100 m/s, teoretic poate atinge viteza sunetului. În Rusia, tornadele apar relativ rar, dar provoacă pagube enorme. Cea mai mare frecvență a tornadelor are loc în sudul părții europene a Rusiei.

Livni

În furtuni mici, vârful de cinci minute de precipitații intense poate depăși 120 mm/oră, dar restul ploii are o intensitate cu un ordin de mărime mai mică. O furtună medie produce aproximativ 2.000 de metri cubi de ploaie, dar o furtună mare poate produce de zece ori mai mult. Furtunile mari organizate asociate cu sistemele convective de mezo scară pot produce 10 până la 1000 de milioane de metri cubi de precipitații.

Structura electrică a unui nor de tunete

Structura încărcărilor în nori cu tunere în diferite regiuni

Distribuția și mișcarea sarcinilor electrice în și în jurul unui nor este un proces complex, în continuă schimbare. Cu toate acestea, este posibil să se prezinte o imagine generalizată a distribuției sarcinilor electrice în stadiul de maturitate a norului. Domină o structură dipol pozitivă, în care sarcina pozitivă se află în partea de sus a norului, iar sarcina negativă este sub aceasta în interiorul norului. La baza norului și sub acesta, se observă o sarcină pozitivă mai mică. Ionii atmosferici, care se deplasează sub acțiunea unui câmp electric, formează straturi de ecranare la limitele norilor, maschând structura electrică a norului de un observator extern. Măsurătorile arată că, în diferite condiții geografice, sarcina negativă principală a unui nor de tunete este situată la altitudini cu o temperatură ambientală de -5 până la -17 °C. Cu cât viteza curentului ascendent în nor este mai mare, cu atât centrul sarcinii negative este mai mare. Densitatea de încărcare a spațiului este în intervalul 1-10 C/km³. Există o proporție semnificativă de furtuni cu o structură de sarcină inversă: - o sarcină negativă în partea superioară a norului și o sarcină pozitivă în partea interioară a norului, precum și cu o structură complexă cu patru sau mai multe zone de spațiu sarcini de polaritate diferită.

mecanism de electrizare

Au fost propuse multe mecanisme pentru a explica formarea structurii electrice a unui nor de tunete, iar acest domeniu al științei este încă un domeniu de cercetare activă. Ipoteza principală se bazează pe faptul că, dacă particulele de nor mai mari și mai grele sunt predominant încărcate negativ, iar particulele mici mai ușoare poartă o sarcină pozitivă, atunci separarea spațială a sarcinilor spațiale are loc datorită faptului că particulele mari cad cu o viteză mai mare decât componente mici de nor. Acest mecanism este în general în concordanță cu experimentele de laborator care arată un transfer puternic de sarcină atunci când particulele de granule de gheață (granele sunt particule poroase de picături de apă înghețată) sau particulele de grindină interacționează cu cristalele de gheață în prezența picăturilor de apă suprarăcite. Semnul și mărimea sarcinii transferate în timpul contactelor depind de temperatura aerului înconjurător și de conținutul de apă al norului, dar și de dimensiunea cristalelor de gheață, viteza coliziunii și alți factori. Este posibilă și acțiunea altor mecanisme de electrificare. Când magnitudinea încărcăturii electrice de volum acumulată în nor devine suficient de mare, între zonele încărcate cu semnul opus apare o descărcare de fulger. O descărcare poate apărea și între un nor și sol, un nor și o atmosferă neutră, un nor și ionosferă. Într-o furtună tipică, între două treimi și 100% din descărcări sunt descărcări intranori, descărcări internori sau descărcări nor-aer. Restul sunt descărcări nor-sol. În ultimii ani, a devenit clar că fulgerele pot fi inițiate artificial într-un nor, care în condiții normale nu trece în stadiul de furtună. În norii care au zone de electrizare și creează câmpuri electrice, fulgerele pot fi inițiate de munți, clădiri înalte, avioane sau rachete care se află în zona câmpurilor electrice puternice.

Zarnitsa - fulgerări instantanee de lumină la orizont în timpul unei furtuni îndepărtate.

În timpul fulgerelor, tunetele nu se aud din cauza distanței, dar se pot vedea fulgere, a căror lumină este reflectată de norii cumulonimbus (în principal vârfurile lor). Fenomenul se observă pe întuneric, mai ales după 5 iulie, în momentul recoltării cerealelor, astfel că fulgerul a fost cronometrat de oameni până la sfârșitul verii, începutul recoltei, și se numește uneori brutari.

furtuna de zapada

Schema formării unei furtuni de zăpadă

O furtună de zăpadă (tot o furtună de zăpadă) este o furtună, un fenomen meteorologic foarte rar care apare în lume de 5-6 ori pe an. În loc de o ploaie abundentă, cad zăpadă abundentă, ploaie înghețată sau pelete de gheață. Termenul este folosit în principal în știința populară și literatura străină (ing. cu tună). În meteorologia rusă profesionistă, acest termen nu există: în astfel de cazuri, există atât o furtună, cât și zăpadă abundentă.

Cazuri de furtuni de iarnă sunt notate în cronicile antice rusești: furtuni iarna în 1383 (a fost „un tunet foarte îngrozitor și un vârtej este puternic”), în 1396 (la Moscova pe 25 decembrie „... a fost un tunet și un nor din țara amiezii”), în anul 1447 (la Novgorod la 13 noiembrie „... la miezul nopții un tunet groaznic și fulgerul este mare”), în 1491 (la Pskov la 2 ianuarie au auzit tunete).

Datorită impredictibilității complete și puterii uriașe fulger(descărcări de fulgere), ele reprezintă un pericol potențial pentru numeroase instalații electrice. Știința modernă a acumulat o cantitate mare de informații teoretice și date practice despre protecție împotriva trăsnetuluiși activitatea de trăsnet, iar aceasta permite rezolvarea unor probleme serioase legate de protecția împotriva trăsnetului a infrastructurii energetice industriale și civile. Acest articol discută despre fizic natura furtunilorși comportamentul trăsnetului, a cărui cunoaștere va fi utilă pentru amenajarea unei protecții eficiente împotriva trăsnetului și crearea unui sistem integrat de împământare a stațiilor electrice.

Natura fulgere și nori de furtună

În sezonul cald de la latitudinile mijlocii, în timpul deplasării unui ciclon, cu umiditate suficientă și curenți de aer ascendenți puternici, apar adesea descărcări de fulgere (fulgere). Motivul acestui fenomen natural constă în concentrația uriașă de electricitate atmosferică (particule încărcate) în norii de tunete, în care, în prezența curenților ascendente, sarcinile negative și pozitive sunt separate odată cu acumularea de particule încărcate în diferite părți ale norului. Astăzi, există mai multe teorii cu privire la electricitatea atmosferică și electrificarea norilor de tunet, ca fiind cei mai importanți factori care au un impact direct asupra proiectării și realizării de protecție integrată împotriva trăsnetului și împământarea instalațiilor electrice.

Conform conceptelor moderne, formarea particulelor încărcate în nori este asociată cu prezența unui câmp electric în apropierea Pământului, care are o sarcină negativă. Aproape de suprafața planetei, puterea câmpului electric este de 100 V/m. Această valoare este aproape aceeași peste tot, nu depinde de timpul și locul măsurătorilor. Câmpul electric al Pământului se datorează prezenței particulelor încărcate libere în aerul atmosferic, care sunt în continuă mișcare.

De exemplu, în 1 cm3 de aer există mai mult de 600 de particule încărcate pozitiv și același număr de particule încărcate negativ. Odată cu distanța de la suprafața pământului în aer, densitatea particulelor cu sarcină crește brusc. În apropierea pământului, conductibilitatea electrică a aerului este neglijabilă, dar deja la altitudini de peste 80 km, conductivitatea electrică crește cu un factor de 3.000.000.000 (!) și devine egală cu conductivitatea apei proaspete. Dacă tragem analogii, atunci, în prima aproximare, planeta noastră poate fi comparată cu un condensator imens sub formă de minge.

În acest caz, suprafața Pământului și stratul de aer concentrat la o înălțime de optzeci de kilometri deasupra suprafeței pământului sunt luate drept plăci. Partea atmosferei cu o grosime de 80 km, care are o conductivitate electrică scăzută, acționează ca un izolator. Între plăcile unui condensator virtual apare o tensiune de până la 200 kV, iar puterea curentului poate fi de până la 1.400 A. Un astfel de condensator are o putere incredibilă - aproximativ 300.000 kW (!). În câmpul electric al planetei, la o înălțime între 1 și 8 kilometri de suprafața pământului, se condensează particulele încărcate și apar furtuni, care înrăutățesc mediul electromagnetic și sunt o sursă de zgomot de impuls în sistemele energetice.

Fenomenele de furtună sunt clasificate în furtuni frontale și termice. Pe Fig. 1 prezintă o diagramă a apariției unei furtuni termice. Ca urmare a expunerii intense la lumina soarelui, suprafața pământului se încălzește. O parte din energia termică trece în atmosferă și își încălzește straturile inferioare. Masele de aer cald se extind și cresc mai sus. Deja la o altitudine de doi kilometri, ele ajung într-o zonă cu temperaturi scăzute, unde are loc condensul de umiditate și se formează nori cu tunturi. Acești nori sunt formați din picături de apă microscopice care poartă o sarcină. De regulă, norii se formează în zilele fierbinți de vară după-amiaza și au dimensiuni relativ mici.

Furtunile frontale se formează în condițiile în care două fluxuri de aer cu temperaturi diferite se ciocnesc de părțile lor frontale. Fluxul de aer cu temperatură scăzută coboară, mai aproape de sol, iar masele de aer cald se grăbesc în sus (Fig. 2). Norii de tunsoare se formează la altitudini cu temperaturi scăzute, unde aerul umed se condensează. Furtunile frontale pot avea o întindere destul de mare și pot acoperi o zonă semnificativă.

În același timp, mediul electromagnetic de fundal este vizibil distorsionat, inducând zgomot de impuls în rețelele electrice. Astfel de fronturi se deplasează cu o viteză de 5 până la 150 km/h și mai mult. Spre deosebire de furtunile termice, furtunile frontale sunt active aproape non-stop și reprezintă un pericol grav pentru instalațiile industriale care nu sunt echipate cu sistem de protecție împotriva trăsnetului și împământare eficientă. În timpul condensării în câmpul electric al aerului rece, se formează picături de apă polarizate (Fig. 3): există o sarcină pozitivă în partea inferioară a picăturilor și o sarcină negativă în partea superioară.

Datorită curenților de aer ascendenți, are loc separarea picăturilor de apă: cele mai mici se ridică în sus, iar cele mari cad dedesubt. Pe măsură ce picătura se mișcă în sus, partea încărcată negativ a picăturii atrage sarcini pozitive și respinge pe cele negative. Ca rezultat, picătura devine încărcată pozitiv. colectează treptat o sarcină pozitivă. Picăturile care cad atrag sarcini negative și devin încărcate negativ pe măsură ce cad.

Fisiunea particulelor încărcate într-un nor de tunet are loc în mod similar: particulele încărcate pozitiv se acumulează în stratul superior, iar particulele încărcate negativ se acumulează în stratul inferior. Un nor de tunete practic nu este un conductor și, din acest motiv, încărcăturile sunt conservate pentru ceva timp. Dacă un câmp electric mai puternic al norului va avea un efect asupra câmpului electric „de vreme senină”, atunci acesta își va schimba direcția în locație (Fig. 4).

Distribuția particulelor încărcate în masa norului este extrem de neuniformă:
în unele puncte, densitatea are o valoare maximă, iar în altele - o valoare mică. În locul acumulării unui număr mare de sarcini, se formează un câmp electric puternic cu o intensitate critică de ordinul 25-30 kV / cm, apar condiții adecvate pentru formarea fulgerului. Fulgerul este ca o scânteie observată în golul dintre electrozii care conduc bine electricitatea.

Ionizarea aerului atmosferic

Aerul atmosferic este format dintr-un amestec de gaze: azot, oxigen, gaze inerte si vapori de apa. Atomii acestor gaze sunt combinați în legături puternice și stabile, formând molecule. Fiecare atom este un nucleu de protoni cu sarcină pozitivă. Electronii cu sarcină negativă („norul de electroni”) se rotesc în jurul nucleului.

În termeni cantitativi, sarcina nucleului și sarcina totală a electronilor sunt egale între ele. În timpul ionizării, electronii părăsesc atomul (molecula). În procesul de ionizare atmosferică se formează 2 particule încărcate: un ion pozitiv (un nucleu cu electroni) și un ion negativ (un electron liber). Ca multe fenomene fizice, ionizarea necesită o anumită cantitate de energie, numită energie de ionizare a aerului.

Când apare o tensiune suficientă în stratul de aer format din 2 electrozi conductori, atunci toate particulele încărcate libere, sub influența intensității câmpului electric, încep să se miște în mod ordonat. Masa unui electron este de multe ori (de 10.000 ... 100.000 de ori) mai mică decât masa nucleului. Ca rezultat, atunci când un electron liber se mișcă în câmpul electric al stratului de aer, viteza acestei particule încărcate este mult mai mare decât viteza nucleului. Având un impuls semnificativ, electronul detașează cu ușurință noi electroni din molecule, făcând astfel ionizarea mai intensă. Acest fenomen se numește ionizare de impact (Fig. 5).

Cu toate acestea, nu în fiecare coliziune, un electron este desprins dintr-o moleculă. În unele cazuri, electronii se deplasează pe orbite instabile departe de nucleu. Astfel de electroni primesc o parte din energia de la electronul care se ciocnește, ceea ce duce la excitarea moleculei (Fig. 6.).

Perioada de „viață” a unei molecule excitate este de numai 10-10 secunde, după care electronul revine pe orbita sa anterioară, mai stabilă din punct de vedere energetic.

Când electronul revine pe o orbită stabilă, molecula excitată emite un foton. Fotonul, la rândul său, în anumite condiții, poate ioniza alte molecule. Acest proces a fost numit fotoionizare (Fig. 7). Există și alte surse de fotoionizare: raze cosmice de înaltă energie, unde de lumină ultravioletă, radiații radioactive etc. (Fig. 8).

De regulă, ionizarea moleculelor de aer are loc la temperaturi ridicate. Pe măsură ce temperatura crește, moleculele de aer și electronii liberi implicați în mișcarea termică (haotică) dobândesc energie mai mare și se ciocnesc mai des între ele. Rezultatul unor astfel de ciocniri este ionizarea aerului, numită ionizare termică. Cu toate acestea, pot apărea și procese inverse, atunci când particulele încărcate își neutralizează propriile sarcini (recombinare). În procesul de recombinare, se observă o emisie intensă de fotoni.

Formarea de streamere și descărcare corona

Când intensitatea câmpului electric crește la valori critice în spațiul de aer dintre plăcile încărcate, se poate dezvolta ionizare prin impact, care este o cauză frecventă a zgomotului de impuls de înaltă frecvență. Esența sa este următoarea: după ionizarea de către un electron a unei molecule, apar doi electroni liberi și un ion pozitiv. Ciocnirile ulterioare duc la apariția a 4 electroni liberi și a 3 ioni cu sarcină pozitivă.

Astfel, ionizarea capătă un caracter de avalanșă, care este însoțită de formarea unei cantități uriașe de electroni liberi și ioni pozitivi (Fig. 9 și 10). Ionii pozitivi se acumulează în apropierea electrodului negativ, iar electronii încărcați negativ se deplasează către electrodul pozitiv.

În procesul de ionizare, electronii liberi capătă o mobilitate mai mare decât ionii, astfel încât aceștia din urmă pot fi considerați condiționat particule imobile. Când electronii trec la electrodul pozitiv, sarcinile pozitive rămase au o influență puternică asupra stării câmpului electric, ducând astfel la o creștere a puterii acestuia. Un număr mare de fotoni accelerează ionizarea aerului în apropierea anodului și contribuie la apariția electronilor secundari (Fig. 11), care sunt surse de avalanșe repetate (Fig. 12).

Avalanșele secundare rezultate se deplasează spre anod, unde este concentrată sarcina pozitivă. Electronii liberi sparg sarcina spatiala pozitiva, ducand la formarea unui canal destul de ingust (streamer) in care se afla plasma. Datorită conductibilității excelente, streamerul „lungește” anodul, în timp ce procesul de formare a avalanșelor de electroni liberi este accelerat și are loc o creștere suplimentară a intensității câmpului electric (Fig. 13 și 14), deplasându-se spre capul de streamerul. Electronii suplimentari se amestecă cu ioni pozitivi, ceea ce duce din nou la formarea plasmei, datorită căreia canalul streamer se prelungește.

Orez. 13. O creștere a intensității câmpului electric este însoțită de o creștere a fotoionizării și generează noi avalanșe de particule încărcate

După umplerea golului liber cu streamer, începe etapa de scânteie a descărcării (Fig. 15), care se caracterizează prin ionizare termică super-puternică a spațiului și ultraconductivitate a canalului de plasmă.

Procesul de formare a streamerului descris este valabil pentru goluri mici caracterizate printr-un câmp electric uniform. Cu toate acestea, în funcție de forma lor, toate câmpurile electrice sunt împărțite în omogene, ușor neomogene și puternic neomogene:

• În cadrul unui câmp electric uniform, intensitatea de-a lungul liniilor de forță este caracterizată de o valoare constantă. De exemplu, câmpul electric din partea de mijloc a unui condensator de tip plat.
• Într-un câmp slab neomogen, valorile intensității măsurate de-a lungul liniilor de forță diferă de cel mult 2 ... 3 ori; un astfel de câmp este considerat a fi slab neomogen. De exemplu, un câmp electric între 2 descărcători sferici sau un câmp electric care apare între mantaua unui cablu ecranat și miezul acestuia.
• Un câmp electric este numit puternic neomogen dacă este caracterizat de salturi semnificative de putere, ceea ce duce la o deteriorare gravă a mediului electromagnetic. În instalațiile electrice industriale, de regulă, câmpurile electrice au o formă puternic neomogenă, ceea ce necesită dispozitive de verificare a compatibilității electromagnetice.

Într-un câmp puternic neomogen, procesele de ionizare sunt colectate în apropierea electrodului pozitiv sau negativ. Prin urmare, descărcarea nu poate ajunge în stadiul de scânteie, iar în acest caz încărcătura se formează sub formă de coroană („descărcare corona”). Odată cu o creștere suplimentară a intensității câmpului electric, în spațiul de aer se formează streamers și are loc o descărcare de scânteie. Deci, dacă lungimea spațiului este de un metru, atunci are loc o descărcare de scânteie la o intensitate a câmpului de aproximativ 10 kV/cm.

Forma lider a descărcării fulgerelor

Cu dimensiunile golului de aer fiind de câțiva metri, streamers-urile formate nu au suficientă conductivitate pentru dezvoltarea unei descărcări cu drepturi depline. Pe măsură ce streamerul se mișcă, se formează o descărcare de fulger, care ia forma de lider. Partea canalului, numită lider, este umplută cu particule ionizate termic. În canalul lider, este concentrată o cantitate semnificativă de particule încărcate, a căror densitate este mult mai mare decât media pentru streamer. Această proprietate oferă condiții bune pentru formarea unui streamer și transformarea lui într-un lider.

Orez. Fig. 16. Procesul de mișcare a streamerului și apariția unui lider negativ (AB este avalanșa inițială; CD este streamerul format).

Pe Fig. 16 prezintă o schemă clasică pentru apariția unui lider negativ. Fluxul de electroni liberi se deplasează de la catod la anod. Conurile hașurate arată avalanșele de electroni formate, iar traiectoriile fotonilor emiși sunt prezentate ca linii ondulate. În fiecare avalanșă, ciocnirile de electroni ionizează aerul, iar fotonii rezultați ionizează și mai mult alte molecule de aer. Ionizarea capătă un caracter masiv și numeroase avalanșe se contopesc într-un singur canal. Viteza fotonilor este de 3*108 m/s, iar viteza electronilor în mișcare liberă în partea frontală a avalanșei este de 1,5*105 m/s.

Dezvoltarea unui streamer este mai rapidă decât progresul unei avalanșe de electroni. Pe Fig. 16 arată că în timpul parcurgerii primei distanțe de avalanșă AB, pe segmentul CD se formează un canal streamer cu ultraconductivitate pe toată lungimea. Un streamer standard se mișcă cu o viteză medie de 106-107 m/s. Dacă electronii liberi au o concentrație suficient de mare, în canalul streamer are loc o ionizare termică intensă, ceea ce duce la apariția unui lider, o structură liniară cu o componentă de plasmă.

În timpul mișcării liderului, se formează noi streamere în partea sa de capăt, care mai târziu trec și în lider. Pe Fig. Figura 17 prezintă dezvoltarea unui lider negativ într-un interval de aer cu un câmp electric neomogen: liderul se deplasează de-a lungul canalului streamer (Fig. 17a); după ce se finalizează transformarea canalului streamer în lider, apar noi avalanșe.

Orez. 17. Schema de formare și dezvoltare a unui lider negativ pe o perioadă lungă.

Avalanșele de electroni se mișcă prin întrefierul de aer (Fig. 17b) și se formează un nou streamer (Fig. 17c). De regulă, streamerii se deplasează pe traiectorii aleatorii. Cu o astfel de formare a unei descărcări de fulgere în goluri extinse, chiar și la intensități scăzute ale câmpului electric (de la 1.000 la 2.000 V/cm), liderul parcurge rapid distanțe considerabile.

Când liderul ajunge la electrodul opus, treapta de lider a descărcării fulgerului se termină și începe etapa de descărcare inversă (principală). În acest caz, o undă electromagnetică se propagă de la suprafața pământului prin canalul lider, datorită căruia potențialul liderului scade la zero. Astfel, între electrozi se formează un canal supraconductor prin care trece o descărcare de fulger.

Etapele dezvoltării unei descărcări de fulgere

Condițiile pentru apariția fulgerului se formează în acea parte a norului de tunete, unde acumularea de particule încărcate și intensitatea câmpului electric au atins valori de prag. În acest moment, se dezvoltă ionizarea de impact și se formează avalanșe de electroni, apoi, sub influența ionizării foto și termice, apar streamere, care se transformă în lideri.

a - afișare vizuală; b - caracteristica curentului.

Lungimea fulgerului este de la sute de metri și poate ajunge până la câțiva kilometri (lungimea medie a unei descărcări de fulger este de 5 km). Datorită tipului de dezvoltare lider, fulgerul este capabil să parcurgă distanțe considerabile într-o fracțiune de secundă. Ochiul uman vede fulgerul ca o linie continuă de una sau mai multe benzi strălucitoare de alb, roz deschis sau albastru strălucitor. De fapt, o descărcare de fulger este mai multe impulsuri care includ două etape: o etapă de conducere și o etapă de descărcare inversă.

Pe Fig. 18 arată balanța în timp a impulsurilor fulgerului, care arată descărcarea etapei conducătoare a primului impuls dezvoltându-se sub formă de pași. În medie, linia de pas este de cincizeci de metri, iar întârzierea dintre treptele adiacente ajunge la 30-90 µs. Viteza medie de propagare a liderului este de 105...106 m/s.

Forma treptată a dezvoltării liderului se explică prin faptul că este nevoie de ceva timp pentru formarea unui streamer principal (o pauză între pași). Impulsurile ulterioare se deplasează de-a lungul canalului ionizat și au o etapă de lider în formă de săgeată pronunțată. După ce liderul ajunge la primul puls al suprafeței pământului, apare un canal ionizat, de-a lungul căruia se mișcă sarcina. În acest moment începe etapa a 2-a a descărcării fulgerelor (descărcare inversă).

Descărcarea principală este vizibilă sub forma unei linii strălucitoare continue care străpunge spațiul dintre nori de tunet și pământ (fulger liniar). După ce descărcarea principală ajunge în nor, strălucirea canalului de plasmă scade. Această fază se numește afterglow. Într-o descărcare de fulger, se notează până la douăzeci de impulsuri repetate, iar durata descărcării în sine ajunge la 1 sau mai multe secunde.

În patru din zece cazuri, există o descărcare multiplă de fulgere, care este cauza zgomotului de impuls în rețelele de energie. În medie, se notează 3 ... 4 impulsuri. Natura pulsurilor repetate este legată de influxul treptat al încărcăturilor rămase în norul de tunete către canalul de plasmă.

Acțiunea selectivă a unei descărcări de fulger

Când canalul lider abia începe să se dezvolte, puterea câmpului electric din capul său este determinată de volumul sarcinii liderului și de acumulările de particule încărcate în vrac sub norul de tunere. Direcția prioritară a descărcării depinde de intensitățile maxime ale câmpului electric. La o înălțime considerabilă, această direcție este determinată doar de canalul conducătorului (Fig. 19).

Când canalul lider al unei descărcări de fulger se deplasează spre suprafața pământului, câmpul său electric este distorsionat de câmpul pământului și de instalațiile masive de energie de la sol. Valorile maxime de intensitate și direcția de propagare a liderului fulgerului sunt determinate atât de sarcinile proprii și de sarcinile concentrate pe sol, cât și de structurile artificiale (Fig. 20).

Înălțimea H a capului liderului deasupra suprafeței pământului, la care un efect semnificativ asupra câmpului electric al liderului câmpurilor de sarcină s-a acumulat într-o cantitate semnificativă pe sol și la instalațiile de putere, care poate schimba direcția de mișcare a liderului, se numește înălțimea de orientare a descărcării fulgerului.
Cu cât sunt mai multe sarcini electrice în canalul lider, cu atât poate apărea mai mare modificarea traiectoriei mișcării fulgerului.

Figura 21 prezintă mișcarea debitului principal de la suprafața pământului către norul de tunete și propagarea liderului spre pământ (suprafață plană).

Atunci când o descărcare de fulger se deplasează către o structură de sol înaltă (turn sau turn de transmisie a puterii) către descărcarea lider care se propagă de la un nor de tunete la suprafața pământului, din suportul de la sol se dezvoltă un contra-lider (Fig. 22.). În acest caz, descărcarea principală are loc în punctul de conectare a conducătorilor și se mișcă în ambele direcții.

Orez. 22. Dezvoltarea etapei lider (sus) și a treptei principale de descărcare (jos) atunci când o descărcare de fulger lovește un suport metalic

Procesul de formare a fulgerului arată că locația specifică a loviturii fulgerului este determinată în stadiul de lider. Dacă există o structură de sol înaltă direct sub norul de tunet (de exemplu, un turn de televiziune sau un stâlp de linie electrică), atunci liderul emergent se va deplasa spre sol pe calea cea mai scurtă, adică spre lider, care se extinde. în sus de la structura solului.

Pe baza experienței practice, se poate concluziona că cel mai adesea fulgerul lovește acele instalații de energie care au împământare eficientă și conduc bine electricitatea. Cu o înălțime egală, fulgerul lovește obiectul care are o împământare mai bună și o conductivitate electrică ridicată. La diferite înălțimi ale instalațiilor de putere și dacă pământul de lângă acestea are și o rezistivitate diferită, fulgerul poate lovi o instalație inferioară situată pe sol cu ​​o conductivitate mai bună (Fig. 23).

Orez. 23. Susceptibilitatea selectivă a descărcărilor de trăsnet: sol cu ​​conductivitate electrică ridicată (a); sol cu ​​conductivitate redusă (b).

Acest fapt poate fi explicat prin faptul că, în timpul dezvoltării etapei conducătoare, curenții de conducere curg de-a lungul unei căi cu conductivitate crescută, prin urmare, în unele zone, există o concentrare de sarcini legate de lider. Ca urmare, influența câmpului electric al sarcinilor de pe suprafața pământului asupra câmpului electric al liderului emergent crește. Aceasta explică selectivitatea fulgerului. De regulă, zonele de sol și structurile artificiale de la sol cu ​​conductivitate ridicată sunt cel mai adesea afectate. În practică, s-a stabilit că pe liniile electrice de înaltă tensiune, fulgerul lovește nu mai mult de o treime din suporturile amplasate în locuri strict delimitate.

Teoria daunelor selective prin descărcări de trăsnet ale obiectelor terestre și-a găsit confirmare practică în amenajarea protecției împotriva trăsnetului și împământarea instalațiilor electrice ale substațiilor electrice. Acele zone care sunt caracterizate de conductivitate scăzută au fost mult mai puțin probabil să fie lovite de fulger. Pe fig. 24 arată câmpul electric dintre sol și un nor de tunet înainte de lovirea unui fulger.

Odată cu o schimbare treptată a intensității câmpului electric al unui nor de tunsoare, conductivitatea solului asigură un echilibru al numărului de sarcini atunci când câmpul electric al norului se modifică. În timpul unei descărcări de fulgere, intensitatea câmpului se modifică atât de rapid încât, din cauza conductibilității scăzute a solului, nu există timp pentru a redistribui sarcinile. Concentrarea sarcinilor în locuri separate duce la o creștere a intensității câmpului electric între locurile caracteristice și norul de tunete (Fig. 25), astfel încât descărcarea fulgerului lovește selectiv aceste locuri.

Acest lucru confirmă în mod clar teoria selectivității de descărcare a fulgerului, conform căreia, în condiții similare, fulgerul cade întotdeauna în acele locuri în care există o conductivitate electrică crescută a solului.

Principalii parametri ai fulgerului

Următorii parametri sunt utilizați pentru a caracteriza curenții de fulger:

• Valoarea maximă a impulsului curentului de fulger.
• Gradul de abruptie al frontului de curent de fulger.
• Durata frontului impulsului curent.
• Durata completă a pulsului.

Durata impulsului curentului de fulger este timpul necesar pentru ca descărcarea inversă să treacă distanța dintre pământ și nor de tunete (20...100 µs). Partea frontală a impulsului de curent de fulger în acest caz este în intervalul de la 1,5 la 10 µs.

Durata medie a impulsului de curent de descărcare a fulgerului are o valoare egală cu 50 μs. Această valoare este valoarea standard pentru impulsul curentului de trăsnet la testarea rigidității dielectrice a cablurilor ecranate: acestea trebuie să reziste la loviturile directe de trăsnet și să mențină integritatea izolației. Pentru a testa rezistența izolației atunci când este expus la impulsuri de tensiune de fulger (testele sunt reglementate de GOST 1516.2-76), se adoptă un impuls standard al curenților de tensiune de fulger, prezentat în Fig. 26 (pentru comoditatea calculelor, frontul real se reduce la un front oblic echivalent).

Pe axa verticală a supratensiunii de supratensiune la un nivel egal cu 0,3 Umax și 0,9 Umax sunt marcate puncte de control, conectate printr-o linie dreaptă. Intersecția acestei drepte cu axa timpului și cu linia dreaptă orizontală tangentă la Umax face posibilă determinarea duratei impulsului Tf. Impulsul fulgerului standard are o valoare de 1,2/50: unde Tf=1,2 µs, Ti=50 µs (durata totală a impulsului).

O altă caracteristică importantă a unui impuls de fulger este viteza de creștere a curentului de tensiune pe frontul pulsului (panta frontală, A * μs). Tabelul 1 prezintă principalii parametri ai descărcărilor de fulgere pentru teren plat. La munte, se constată o scădere a amplitudinii oscilațiilor curenților de fulgere (de aproape două ori) în comparație cu valorile pentru câmpie. Acest lucru se explică prin faptul că munții sunt mai aproape de nori, prin urmare, în zonele muntoase, fulgerele au loc la o densitate mult mai mică a particulelor încărcate în nori, ceea ce duce la o scădere a valorilor de amplitudine ale curenților de fulgere.

Conform tabelului, atunci când fulgerul lovește turnurile de transmisie a energiei de înaltă tensiune, se generează curenți uriași - mai mult de 200 kA. Cu toate acestea, astfel de descărcări de fulgere care provoacă curenți semnificativi sunt extrem de rare: curenții de peste 100 kA apar în cel mult 2% din numărul total de descărcări de fulgere, iar curenții de peste 150 kA apar în mai puțin de 0,5% din cazuri. Distribuția probabilistică a valorilor de amplitudine ale curenților de fulger în funcție de valorile de amplitudine ale curenților este prezentată în Fig. 27. Aproximativ 40% din toate descărcările de trăsnet au curenți care nu depășesc 20 kA.

Orez. 28. Curbe de distribuție a probabilității (în %) a abruptului frontului pulsului de curent fulger. Curba 1 - pentru zone plane; curba 2 este pentru condiții montane.

Nivelul zgomotului de impuls și supratensiunile care apar la instalațiile electrice depind de abruptul real al frontului curentului pulsat al unei descărcări de fulger. Gradul de abrupție variază într-o gamă largă și are o corelație slabă cu valorile de amplitudine ale curenților de fulger. Pe fig. 28 prezintă o imagine a distribuţiei de probabilitate a nivelului de abrupţie a impulsului frontal al curentului de trăsnet pe câmpie (curba 1) şi în munţi (curba 2).

Impactul curenților de fulgere

În timpul trecerii curenților de fulgere prin diverse obiecte, acestea din urmă sunt supuse unor influențe mecanice, electromagnetice și termice.
Generarea semnificativă de căldură poate distruge conductorii metalici de secțiuni transversale mici (de exemplu, legături sigure sau fire telegrafice). Pentru a determina valoarea critică a curentului de fulger Im (kA), la care conductorul se topește sau chiar se evaporă, se utilizează următoarea formulă

k - coeficient specific in functie de materialul conductorului (cupru 300...330, aluminiu 200...230, otel 115...440).
Q este secțiunea transversală a conductorului, mm2;
tm este durata impulsului curentului de fulger, µs.

Cea mai mică secțiune a conductorului (paratrăsnet), care îi garantează siguranța în timpul unei descărcări de trăsnet într-o instalație de alimentare, este de 28 mm2. La valorile maxime ale curentului, un conductor de oțel de aceeași secțiune transversală se încălzește până la sute de grade în câteva microsecunde, dar își păstrează integritatea. Când sunt expuse la un canal de fulger pe piesele metalice, acestea se pot topi la o adâncime de 3-4 mm. Rupele firelor individuale la cablurile de protecție împotriva trăsnetului de pe liniile de alimentare apar adesea din cauza supraarsării de către o descărcare de trăsnet în punctele de contact dintre canalul de trăsnet și cablu.

Din acest motiv, paratrăsnetul din oțel au secțiuni semnificative: cablurile de protecție împotriva trăsnetului trebuie să aibă o secțiune transversală de cel puțin 35 mm2, iar paratrăsnetul trebuie să aibă cel puțin 100 mm2. Exploziile și incendiile pot apărea atunci când un canal de fulger lovește materiale combustibile și inflamabile (lemn, paie, combustibili și lubrifianți, combustibili gazoși etc.). Efectul mecanic al curentului de descărcări de trăsnet se manifestă prin distrugerea structurilor din lemn, cărămidă și piatră, în care nu există protecție împotriva trăsnetului și împământare cu drepturi depline.

Despicarea stâlpilor de transmisie a puterii din lemn se explică prin faptul că curentul fulgerului, deplasându-se prin structura internă a lemnului, generează o eliberare abundentă de vapori de apă, care rupe fibrele lemnului cu presiunea sa. Pe vreme ploioasă, despicarea lemnului este mai mică decât pe vreme uscată. Deoarece lemnul umed se caracterizează printr-o conductivitate mai bună, prin urmare, curentul fulgerului trece în principal de-a lungul suprafeței lemnului, fără a provoca daune semnificative structurilor din lemn.

În timpul unei descărcări de fulger, bucăți de lemn de până la trei centimetri grosime și până la cinci centimetri lățime ies adesea din stâlpii de lemn și, în unele cazuri, fulgerele despart în jumătate rafturile și traversele stâlpilor care nu sunt echipați cu împământare. În acest caz, elementele metalice ale izolatoarelor (șuruburi și cârlige) zboară din locurile lor și cad la pământ. Odată, un fulger a fost atât de puternic încât un plop uriaș de aproximativ 30 m înălțime s-a transformat într-un morman de așchii mici.

Trecând prin fisuri înguste și prin deschideri mici, descărcările de fulgere produc daune semnificative. De exemplu, curenții de fulger deformează cu ușurință descărcătoarele tubulare instalate pe liniile electrice. Chiar și dielectricii clasici (piatră și cărămidă) sunt supuși efectelor dăunătoare ale descărcărilor puternice. Forțele electrostatice ale naturii de impact pe care încărcăturile rămase le au distruge cu ușurință clădirile din cărămidă și piatră cu ziduri groase.

În timpul etapei descărcării principale a fulgerului, în apropierea locului loviturii sale, în conductorii și structurile metalice ale instalațiilor energetice, au loc capturi de impuls și supratensiuni care, trecând prin împământarea instalațiilor energetice, creează zgomot de impuls de înaltă frecvență și o tensiune semnificativă. scădere, atingând 1.000 sau mai mult kV. Descărcările de fulgere pot apărea nu numai între nori de tunsoare și sol, ci și între nori individuali. Un astfel de fulger este complet sigur pentru personalul și echipamentele instalațiilor electrice. În același timp, descărcările de fulgere care ajung la sol reprezintă un pericol grav pentru oameni și dispozitive tehnice.

Activitate de furtună pe teritoriul Federației Ruse

În diferite zone ale țării noastre, intensitatea activității furtunilor prezintă diferențe semnificative. În regiunile nordice se observă cea mai slabă activitate de furtună. La deplasarea spre sud, se înregistrează o creștere a activității furtunilor, care se caracterizează prin numărul de zile dintr-un an când au fost furtuni. Durata medie a furtunilor pentru o zi de furtună pe teritoriul Federației Ruse este de la 1,5 la 2 ore. Activitatea furtunilor pentru orice punct al Federației Ruse este stabilită conform hărților meteorologice speciale ale activității furtunilor, care sunt compilate pe baza datelor din observațiile pe termen lung ale stațiilor meteorologice (Fig. 29).

Fapte interesante despre fulgere:

• În acele zone în care activitatea fulgerului este de 30 de ore pe an, în medie, se produce 1 fulger pe kilometru pătrat de suprafață terestră în doi ani.
• În fiecare secundă, suprafața planetei noastre experimentează peste o sută de fulgere.

Furtună - ce este? De unde vin fulgerele care taie tot cerul și bubuiturile amenințătoare ale tunetelor? Furtuna este un fenomen natural. Fulgerul, numit fulger, se poate forma în interiorul norilor (cumulonimbus) sau între nori. Ele sunt de obicei însoțite de tunete. Fulgerele sunt asociate cu ploi abundente, vânturi puternice și adesea cu grindină.

Activitate

O furtună este una dintre cele mai periculoase.Oamenii loviti de fulgere supraviețuiesc doar în cazuri izolate.

În același timp, pe planetă operează aproximativ 1.500 de furtuni. Intensitatea descărcărilor este estimată la o sută de fulgere pe secundă.

Distribuția furtunilor pe Pământ este neuniformă. De exemplu, sunt de 10 ori mai mulți dintre ele peste continente decât peste ocean. Majoritatea (78%) descărcărilor de fulgere sunt concentrate în zonele ecuatoriale și tropicale. Furtunile sunt deosebit de frecvente în Africa Centrală. Dar regiunile polare (Antarctica, Arctica) și polii fulgerului sunt practic invizibili. Se pare că intensitatea unei furtuni este asociată cu un corp ceresc. La latitudinile mijlocii, vârful său are loc în orele după-amiezii (din timpul zilei), vara. Dar minimul a fost înregistrat înainte de răsăritul soarelui. Caracteristicile geografice sunt de asemenea importante. Cele mai puternice centre de furtună sunt în Cordillera și Himalaya (regiunile muntoase). Numărul anual de „zile furtunoase” este, de asemenea, diferit în Rusia. În Murmansk, de exemplu, sunt doar patru, în Arhangelsk - cincisprezece, Kaliningrad - optsprezece, Sankt Petersburg - 16, la Moscova - 24, Bryansk - 28, Voronezh - 26, Rostov - 31, Soci - 50, Samara - 25 , Kazan și Ekaterinburg - 28, Ufa - 31, Novosibirsk - 20, Barnaul - 32, Cita - 27, Irkutsk și Yakutsk - 12, Blagoveshchensk - 28, Vladivostok - 13, Khabarovsk - 25, Yuzhno-Sakhalins Petrovcha 7-Khalinsk - 1.

Dezvoltarea furtunii

Cum merge? format numai în anumite condiţii. Prezența fluxurilor de umiditate ascendente este obligatorie, în timp ce trebuie să existe o structură în care o fracțiune a particulelor să fie în stare de gheață, cealaltă în stare lichidă. Convecția, care va duce la dezvoltarea unei furtuni, va avea loc în mai multe cazuri.

Încălzirea neuniformă a straturilor de suprafață. De exemplu, peste apă cu o diferență semnificativă de temperatură. Peste orașele mari, intensitatea furtunii va fi ceva mai puternică decât în ​​zona înconjurătoare.

Când aerul rece înlocuiește aerul cald. Convenția frontală se dezvoltă adesea simultan cu norii oblici și nimbostrați (nori).

Când aerul se ridică în lanțurile muntoase. Chiar și înălțimi mici pot duce la creșterea formațiunilor de nori. Aceasta este convecția forțată.

Orice nor de tunsoare, indiferent de tipul său, trece în mod necesar prin trei etape: cumulus, maturitate și dezintegrare.

Clasificare

Furtunile au fost clasificate de ceva vreme doar la locul de observare. Au fost împărțite, de exemplu, în ortografie, locale, frontale. Furtunile sunt acum clasificate în funcție de caracteristici care depind de mediul meteorologic în care se dezvoltă. format din cauza instabilităţii atmosferei. Pentru crearea norilor de tunete, aceasta este condiția principală. Caracteristicile unor astfel de fluxuri sunt foarte importante. În funcție de puterea și dimensiunea lor, se formează, respectiv, diferite tipuri de nori cu tunturi. Cum sunt împărțiți?

1. Cumulonimbus unicelular, (local sau intramasă). Faceți activitate cu grindină sau furtună. Dimensiuni transversale de la 5 la 20 km, verticală - de la 8 la 12 km. Un astfel de nor „trăiește” până la o oră. După o furtună, vremea practic nu se schimbă.

2. cluster multicelule. Aici scara este mai impresionantă - până la 1000 km. Un grup cu mai multe celule acoperă un grup de celule de furtună care se află în diferite stadii de formare și dezvoltare și formează în același timp un singur întreg. Cum sunt aranjate? Celulele mature de furtună sunt situate în centru, în timp ce cele în descompunere pot avea o lungime de până la 40 km. Furtunile cu descărcări electrice multi-celule „dau” rafale de vânt (grele, dar nu puternice), ploaie, grindină. Existența unei celule mature este limitată la o jumătate de oră, dar grupul în sine poate „trăi” câteva ore.

3. Linii de furtuni. Acestea sunt, de asemenea, furtuni multicelulare. Se mai numesc si liniare. Ele pot fi fie solide, fie cu goluri. Rafalele de vânt sunt mai lungi aici (pe frontul principal). Linia multicelulară apare ca un perete întunecat de nori atunci când este abordată. Numărul de fluxuri (atât în ​​amonte, cât și în aval) este destul de mare aici. De aceea, un astfel de complex de furtuni este clasificat drept multicelule, deși structura furtunii este diferită. Linia furtunului este capabilă să producă ploaie intensă și grindină mare, dar este mai adesea „limitată” de curenți descendenți puternici. Trece adesea înaintea unui front rece. În imagini, un astfel de sistem are forma unui arc curbat.

4. Furtuni supercelule. Astfel de furtuni sunt rare. Sunt deosebit de periculoase pentru proprietate și viața umană. Norul acestui sistem este similar norului cu o singură celulă, deoarece ambele diferă într-o zonă din amonte. Dar au dimensiuni diferite. Nor supercelulă - imens - aproape 50 km în rază, înălțime - până la 15 km. Limitele sale se pot afla în stratosferă. Forma seamănă cu o singură nicovală semicirculară. Viteza cursurilor de ascensiune este mult mai mare (până la 60 m/s). O trăsătură caracteristică este prezența rotației. Acesta este cel care creează fenomene periculoase, extreme (grindină mare (mai mult de 5 cm), tornade distructive). Principalul factor pentru formarea unui astfel de nor sunt condițiile de mediu. Vorbim despre o convenție foarte puternică cu o temperatură de +27 și un vânt cu direcție variabilă. Astfel de condiții apar în timpul forfecării vântului în troposferă. Formate în curenții ascendenți, precipitațiile sunt transferate în zona de curent descendent, ceea ce asigură o viață lungă pentru nor. Precipitațiile sunt distribuite neuniform. Averse sunt aproape de curent ascendent, iar grindina este mai aproape de nord-est. Partea din spate a furtunii se poate deplasa. Atunci cea mai periculoasă zonă va fi lângă curentul ascendent principal.

Există și conceptul de „furtună uscată”. Acest fenomen este destul de rar, caracteristic musonilor. Cu o astfel de furtună, nu există precipitații (pur și simplu nu ajung, evaporându-se ca urmare a expunerii la temperaturi ridicate).

Viteza de miscare

Într-o furtună izolată, este de aproximativ 20 km/h, uneori mai rapid. Dacă fronturile reci sunt active, viteza poate fi de 80 km/h. În multe furtuni, celulele vechi de furtună sunt înlocuite cu altele noi. Fiecare dintre ele parcurge o distanță relativ scurtă (aproximativ doi kilometri), dar în total distanța crește.

mecanism de electrizare

De unde vin fulgerele? în jurul norilor și în interiorul lor se mișcă constant. Acest proces este destul de complicat. Cel mai ușor este să ne imaginăm cum funcționează sarcinile electrice în norii maturi. Structura pozitivă a dipolului domină în ele. Cum se distribuie? Sarcina pozitivă este plasată în partea de sus, iar sarcina negativă este plasată sub ea, în interiorul norului. Conform ipotezei principale (acest domeniu al științei poate fi considerat încă puțin explorat), particulele mai grele și mai mari sunt încărcate negativ, în timp ce cele mici și ușoare au o sarcină pozitivă. Primele cad mai repede decât cele din urmă. Acesta devine motivul separării spațiale a sarcinilor spațiale. Acest mecanism este confirmat de experimente de laborator. Particulele de pelete de gheață sau grindină pot avea un transfer puternic de sarcină. Mărimea și semnul vor depinde de conținutul de apă al norului, de temperatura aerului (ambiant) și de viteza de coliziune (factorii principali). Influența altor mecanisme nu poate fi exclusă. Descărcările apar între pământ și nor (sau atmosfera neutră sau ionosferă). În acest moment observăm fulgere disecând cerul. Sau un fulger. Acest proces este însoțit de zgomote puternice (tunet).

Furtuna este un proces complex. Poate dura multe decenii, și poate chiar secole, pentru a-l studia.